Miles de procesos químicos utilizados por la industria energética y para otras aplicaciones se basan en la alta velocidad de las reacciones catalíticas. pero las moléculas con frecuencia se ven obstaculizadas por atascos de tráfico molecular que las ralentizan. Ahora se ha inventado una clase completamente nueva de catalizadores porosos, utilizando aletas únicas para acelerar la química al permitir que las moléculas salten las líneas que limitan la reacción.

Este descubrimiento fue publicado en Materiales de la naturaleza , la revista líder en ciencia de materiales.

El avance se centró en reducir las barreras para las moléculas que acceden a los poros interiores de los catalizadores, llamadas zeolitas:aluminosilicatos con poros más pequeños que un nanómetro. Las zeolitas se utilizan ampliamente en procesos comerciales como catalizadores sólidos para la producción de gasolina y productos químicos de valor agregado y otros productos.

En estas aplicaciones, La química dentro de los poros de la zeolita primero requiere que las moléculas encuentren el pequeño número de aberturas en la superficie exterior de las partículas del catalizador. Esto crea una cola de moléculas que deben "esperar en fila" para ingresar a la partícula, Difundir al sitio activo involucrado en la reacción química, y luego salir de la partícula.

Un enfoque para abordar estos problemas de transporte ha sido sintetizar pequeñas nanopartículas. A medida que las zeolitas se vuelven más pequeñas, la cantidad de área superficial que expone los poros aumenta por cantidad de material catalizador, lo que otorga un mayor acceso para las moléculas que ingresan a los poros. Las partículas más pequeñas también reducen la distancia interna que las moléculas deben viajar a través de la partícula.

Sin embargo, la síntesis de estas partículas de zeolita más pequeñas es cara, y las partículas resultantes son a menudo demasiado ineficaces para aplicaciones prácticas.

Investigadores de la Universidad de Houston, dirigido por Jeffrey Rimer, Abraham E. Dukler Profesor de ingeniería química y biomolecular, desarrolló una forma de inducir a las partículas de catalizador más grandes a comportarse como nanopartículas, es decir, para permitir la entrada de moléculas, provocar una reacción y salir rápidamente, por protuberancias crecientes, o aletas, en las superficies de las partículas de catalizador. Al agregar aletas a nanoescala que sobresalen de la superficie externa de partículas grandes, el exterior rugoso de la partícula aumentó significativamente en área de superficie, otorgando a las moléculas un mayor acceso y reduciendo las limitaciones de transporte que frecuentemente afectan a los materiales de zeolita convencionales.

"Nuestro nuevo enfoque de síntesis capitaliza el trabajo que hemos estado haciendo en nuestro grupo durante muchos años, enfocado en controlar la cristalización de zeolita de manera que permita el crecimiento de aletas, ", Dijo Rimer." Esta nueva clase de materiales evita la necesidad de sintetizar directamente nanopartículas, creando un nuevo paradigma en el diseño de catalizadores de zeolita ".

Rimer trabajó con un equipo de expertos internacionales en síntesis de materiales, caracterización y modelado para demostrar la capacidad de las zeolitas con aletas para mejorar el rendimiento de esta familia única de catalizadores sólidos. Comparando zeolitas con aletas con materiales catalíticos convencionales, demostraron que las zeolitas con aletas duraban casi ocho veces más. Rimer dijo que la incorporación de aletas conduce a vías de difusión interna más cortas y asegura que las moléculas lleguen de manera eficiente a los sitios de reacción al tiempo que reduce la propensión de las especies basadas en carbono a inmovilizarse. Esa acumulación finalmente desactiva el catalizador.

Xiaodong Zou, profesor de química inorgánica y estructural en la Universidad de Estocolmo, y los miembros de su laboratorio llevaron a cabo una caracterización avanzada por microscopía electrónica en 3D para desentrañar las estructuras de los poros de los cristales con aletas y confirmaron que las aletas eran extensiones del cristal subyacente y no creaban impedimentos para la difusión interna.

"Es sorprendente ver lo bien que se alinean todos estos cientos de nanofinas individuales con el cristal principal, "Dijo Zou.

En la Universidad de Utrecht, el grupo de investigación de Bert Weckhuysen realizó técnicas de vanguardia adicionales para caracterizar catalizadores de zeolita en tiempo real. profesor de catálisis, energía y sostenibilidad. Estas mediciones confirmaron la capacidad excepcional de las zeolitas con aletas para prolongar la actividad del catalizador mucho más allá de la de los catalizadores más grandes.

Weckhuysen dijo que el uso de la espectroscopia operando mostró claramente cómo la introducción de aletas redujo la cantidad de depósitos externos de coque durante la catálisis. "Eso aumentó sustancialmente la vida útil de los cristales de zeolita con aletas, " él dijo.

Jeremy Palmer, profesor asistente de ingeniería química y biomolecular en la UH, utilizó métodos computacionales para modelar materiales con aletas y explicar cómo funciona el nuevo diseño para mejorar la catálisis.

Los investigadores esperaban que las aletas funcionaran mejor que un catalizador de zeolita de tamaño estándar, él dijo. "Pero descubrimos que no se trataba de una mejora del 10% o del 20%. Se triplicó la eficiencia. La magnitud de la mejora fue una verdadera sorpresa para nosotros".

Trabajo adicional en la Universidad de Minnesota por el grupo de investigación de Paul Dauenhauer, profesor de ingeniería química y ciencia de los materiales, y por Michael Tsapatsis, profesor de ingeniería química y biomolecular en la Universidad Johns Hopkins, confirmó las propiedades mejoradas de transporte de masa de las zeolitas con aletas. Usando un nuevo método para rastrear la difusión de moléculas por luz infrarroja, los investigadores de la UM demostraron que las aletas mejoraron el transporte de moléculas entre 100 y 1, 000 veces más rápido que las partículas convencionales.

"La adición de aletas permite que las moléculas ingresen a los canales de las zeolitas donde ocurre la química, pero también permite que las moléculas salgan rápidamente de la partícula, lo que les permite operar durante un período de tiempo mucho más largo, "Dijo Dauenhauer.

El descubrimiento tiene relevancia inmediata para la industria para una gran cantidad de aplicaciones, incluida la producción de combustibles, productos químicos para plásticos y polímeros, y reacciones que producen moléculas para la comida, medicamentos y productos para el cuidado personal.

"La belleza de este nuevo descubrimiento es su potencial generalización a una amplia gama de materiales de zeolita, utilizando técnicas que son fáciles de incorporar en los procesos de síntesis existentes, ", Dijo Rimer." La capacidad de controlar las propiedades de las aletas podría permitir una flexibilidad mucho mayor en el diseño racional de los catalizadores de zeolita ".